交通流量實時監(jiān)測系統(tǒng)具體實施方案

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種機動車尤其是私家車擁有量急劇增加，這使得交通擁擠問題在許多大城市顯得十分緊張。尤其對于早晚交通高峰時段，一些主要交叉路口處的阻車長度可能長達上千米，甚至有的阻車車長從一個交叉路口延伸到另一個交叉路口，一輛車通過一個交叉路口，可能耗時半小時以上，交通擁擠帶來時間的浪費，給市民的正常生活造成嚴重的負面影響，同時給對國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來了嚴重的影響。而對于這種情況，應(yīng)該采用交通信號與交通流量相適應(yīng)的方法，以代替固定周期控制的方法，也就是說在交通網(wǎng)絡(luò)中車流、人流的變化是隨機的，不同的流量對綠燈時間有著不同的要求，因此本項目提出一種根據(jù)各個路口的交通流量來控制交通信號的方法。

本項目計劃以BQ-VD22 車輛檢測器為前端數(shù)據(jù)采集器，以Xilinx公司的SPARTAN系列FPGA為信號處理和控制中心，設(shè)計一款實時交通流量監(jiān)測系統(tǒng)，并將交通流量信息發(fā)送到交通控制中心，來實現(xiàn)對交通信號的控制，通過對主要道路截面的實時車速、單位時間內(nèi)進入和離開某一路段的車輛數(shù)目等信息的分析和處理，獲得該路段的實時交通擁擠程度，然后通過一對3G上網(wǎng)卡，將結(jié)果傳送給控制中心，處理結(jié)果以2D平面圖的形式顯示出來，用顏色的深淺表示各個路段的擁堵程度，這樣控制中心就可以根據(jù)當(dāng)前各個路口的交通流量來控制交通信號，若是情況緊急，交警也可到道路上實現(xiàn)交通調(diào)度，這樣便可以實現(xiàn)交通擁堵問題的解決。在本項目中，以機動車的平均行駛速度、單位時間內(nèi)各個車道平均通過的車輛數(shù)等具體參數(shù)作為衡量該路段擁堵程度的特征參量。整個系統(tǒng)分為三個部分：數(shù)據(jù)采集部分、信號處理部分、終端顯示部分。原始數(shù)據(jù)來自多個BQ-VD22 車輛檢測器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，信號處理部分對其進行一定的分析和處理，提取出終端需要的信息(擁堵程度的特征參量)。終端顯示部分是將前端獲得的結(jié)果在顯示屏上以2D平面圖的形式實時顯示出來，這樣控制中心就可以很直觀的了解當(dāng)前的交通狀況，以便合理控制交通信號。信號處理部分和控制中心的連接通過無線傳輸來實現(xiàn)，采用一對3G上網(wǎng)卡是一個很好的選擇，可以降低開發(fā)的難度，提高效率。

2.具體實施方案

本項目擬采用XILINX公司的Spartan-6開發(fā)板進行設(shè)計。Spartan-6系列可提供的密度從 3,840 個邏輯單元到 147,443 個邏輯單元不等，完全可以滿足一般設(shè)計任務(wù)的需要。在提供全新且更高效的雙寄存器 6 輸入查找表 (LUT) 邏輯的同時，它還能提供一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級模塊，其中包括 18Kb (2 x 9Kb) Block RAM、第二代 DSP48A1 Slice等。這些都將極大地提高項目設(shè)計的效率，使得研究人員可以將主要精力集中在算法創(chuàng)新上。例如，在本項目中需要有大量的FIFO模塊來實現(xiàn)控制中心與各傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸，而Spartan-6開發(fā)板最多可以提供268個雙口Block RAM(存儲容量為18Kb)，可以很容易的實現(xiàn)FIFO模塊的配置。下面將分別從硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件流程兩個方面對本項目進行介紹。

2.1硬件結(jié)構(gòu)框圖

本項目的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，硬件平臺采用XILINX公司的Spartan-6開發(fā)板進行設(shè)計。整個系統(tǒng)包括三個部分：前端數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心和城市交通指揮控制中心。

數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)采用BQ-VD22 車輛檢測器為基本單元，將多個檢測器埋設(shè)在關(guān)鍵路段和主要路口，就可以實時測量出路面上各個點的車輛行駛速度和行車方向。各個檢測器之間通過地址碼來進行區(qū)別，通過有線或者是無線的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理中心之間通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

數(shù)據(jù)處理中心的主要任務(wù)是讀取前端傳感器采集的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的算法進行處理，提取出可以表示交通流量的特征參數(shù)，然后通過無線收發(fā)設(shè)備傳給指揮控制中心，以便其進行紅綠燈控制和交警的現(xiàn)場指揮。這些數(shù)據(jù)處理任務(wù)均由Spartan-6開發(fā)板來完成，豐富的接口資源使得系統(tǒng)可以很容易與前后模塊之間進行數(shù)據(jù)通信。Spartan-6 FPGA 系列開發(fā)板擁有眾多定制低功耗專用的 DSP Slice，可以用來完成本項目設(shè)計的一些數(shù)字信號處理過程，在保證系統(tǒng)設(shè)計的靈活性的同時還具有高速度與小尺寸等優(yōu)異特性。

數(shù)據(jù)處理中心的另一個任務(wù)是負責(zé)與城市交通指揮控制中心的信息傳輸，即將處理得到的結(jié)果傳送給指揮中心，以便于指揮中心進行各個路段的交通燈控制和調(diào)整交警的警力部署。為了使用戶能夠非常直觀明了的獲得監(jiān)測結(jié)果，在控制中心以平面圖的形式將結(jié)果顯示很有必要，這可以由自制的液晶顯示電路或者是PC機來完成。兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸可以采用3G無線收發(fā)模塊來實現(xiàn)，這樣就可以使用現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)，有效性和可靠性均可得到保障。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2軟件流程圖

本項目的軟件流程圖如圖2所示。為了系統(tǒng)實現(xiàn)的方便，我們將整個系統(tǒng)的工作流程分為兩個部分——數(shù)據(jù)采集處理主程序和數(shù)據(jù)傳輸子程序。其中，數(shù)據(jù)采集處理主程序需要實現(xiàn)的功能是將前端傳感器采集的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)，然后根據(jù)相應(yīng)的算法進行處理，最后將結(jié)果保存在制定的存儲地址內(nèi)。數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將實時處理的結(jié)果通過無線模塊發(fā)送給移送終端?？紤]到應(yīng)盡量減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時兼顧到實際路段上的交通流的變化速率，此處我們設(shè)置為每兩秒向終端發(fā)送一次更新。

圖2 數(shù)據(jù)處理部分的軟件流程圖

3.創(chuàng)新點

1. 通過對多個傳感器測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)融合獲得主要道路交通流量的特征參量，其結(jié)果與實際情況比較符合，可靠性較高。

2. 數(shù)據(jù)處理部分與控制中心之間的連接采用一對3G上網(wǎng)卡來實現(xiàn)，可以保證信息傳輸?shù)膶崟r性。而且，由于采用的是現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)，不需要考慮信道分配、頻譜資源等問題，設(shè)計效率較高。

3. 在控制中心，處理結(jié)果以2D平面圖的形式顯示出來，用顏色的深淺來表示各個路段的交通流量的大小，非常的直觀明了，易于用戶操作。

4. 平臺具有一定的通用性，對終端程序稍作修改就用來能實現(xiàn)一些其它的應(yīng)用，例如流量監(jiān)測、OD調(diào)查等。